瓦錫蘭4D1095D型船用螺旋槳槳轂的制造

□ 王 寧 □ 李世民 □ 林堯武

蘇州恒鼎船舶重工有限公司 江蘇常熟 215513

槳轂是用于安裝螺旋槳槳葉，并使螺旋槳與發動機傳動系統相連接的中間部件。在船用螺旋槳誕生之初，都是將槳轂和槳葉鑄造成為一個整體，其螺距角是不可變的。1908年SEFELE公司研制成功了世界上首臺可變螺距螺旋槳，它的槳轂和槳葉分開制造，槳葉通過螺釘安裝到槳轂上并能在槳轂上旋轉，這種螺旋槳又叫變距槳或叫調距槳。雖然在20世紀初已經出現，但由于科技水平的限制，變距槳直到20世紀70年代中期才得到迅速發展。變距槳相對于定距槳而言有如下主要優勢：①簡化了主機和整個動力裝置的結構；②提高了主機和尾軸管軸承的使用壽命；③改善了船舶的操縱性能；④提高了船舶的機動性。

4D1095D 型槳轂是由瓦錫蘭（W?rtsil?）公司設計的新型船用可變螺距螺旋槳槳轂，該槳轂材料為鋁青銅，鋁青銅機械強度高，延伸率大，抗沖擊性能好，耐海水腐蝕，而且制造和加工比較容易。4D1095D型槳轂毛坯采用鑄造成型，后續的加工過程由蘇州恒鼎船舶重工有限公司完成。筆者就4D1095D型槳轂加工過程中的問題予以論述。

1 4D1095D型槳轂的設計特點

瓦錫蘭槳轂主要分為D型和E型兩種類型，二者最大的區別為：D型槳轂蓋與槳轂本身一起鑄造而成，E型槳轂蓋與槳轂本體分離，需要裝配而形成整體，圖1所示為兩種典型槳轂的外觀特征。

由于是整體鑄造成型，D型槳轂相對于E型槳轂具有更好的結構穩定性，且便于維修和保養。但由于缸蓋一端無孔，因此加工起來比E型更加困難，也限制了其整體尺寸。目前瓦錫蘭D型槳轂的型號范圍有4D330-4D1540（數字為槳轂的最大外徑），E型的型號范圍則從4E1095到4E2000，當然整體鑄造帶來的好處是不需要加工與槳轂蓋連接的螺紋孔。

2 4D1095D槳轂的制造過程

4D1095D槳轂的設計圖紙如圖2所示。

由圖紙分析，4D1095D槳轂最大外徑φ1 095 mm，總高1 162 mm。需要對外圓和兩端面進行車加工，對內平面和各窗口的孔進行銑和鏜加工，另外還需加工螺紋孔、油孔、油槽等。據此大致確定為：粗車，粗鏜、粗銑，精車，精鏜、精銑”4個步序，另外孔的加工還需要通過搖臂鉆預鉆孔。各工序選擇的機床如下。

車加工使用的機床是齊齊哈爾第二機床廠的CR5240×25/3型雙柱立車，加工尺寸范圍：5 000 mm，主軸轉速范圍：2～42 r/min，加工精度指標：IT7。

鏜、銑加工采用昆明機床廠的TK6516型數控刨臺臥式鏜床，工作臺面積2 000 mm×2 500 mm，最大承重10 t，工作臺橫向行程3 000 mm，立柱垂直行程2 000 mm，立柱縱向行程2 000 mm，數控系統采用西門子840DE。4D1095D槳轂的具體加工過程如下。

▲圖1 兩種典型槳轂的外形結構

2.1 粗車

粗車的目的是去除大部分毛坯余量，并加工出基準面，具體工序如下。

（1）大端口向上，千斤頂支撐，調整，鉗工劃出端面余量線、窗口中心高度線及回轉體十字中心線。

（2）小頭面定位，粗車K面及內部凸臺、內孔，粗車外形輪廓，留單面2 mm余量。

（3）工件調頭，等高墊，找正，粗車端面臺階、內孔及外形輪廓，留單面2 mm余量。

2.2 粗銑和粗鏜

與粗車一樣，粗銑和粗鏜的目的也是去除余量，具體工序如下。

（1）工作臺置等高塊，工件大端面定位，找正大端口內腔四方（非加工面）。

（2）根據工件各面余量情況定出被加工窗口坐標位置，保證外形余量。

（3）分別粗鏜4個窗口至φ493 mm。用三面刃銑刀粗銑內壁，至工件中心379.5 mm，銑窗口外平面，保證至內壁厚度74 mm（記錄定位端面余量供車床參考）。

2.3 預鉆孔

具體工序如下。

（1）依對應窗口中心連線劃工件十字中心線，劃出大端面各孔孔位，并作自檢。

（2）預鉆φ79 mm孔為φ60 mm，預鉆M76孔為φ60 mm，鉆尖深度可越過圖示深度5～8 mm，孔口倒角5 mm×45°。

2.4 精車

▲圖2 4D1095D槳轂示意圖

具體工序如下。

（1）大端面定位，找正外圓，車外輪廓至圖示尺寸（注意端面余量）。

（2）工件調頭，找正，精車大端面至尺寸，精車內部凸臺，保證至大端面距離。

（3）半精鏜 φ400H7孔，割槽。精鏜 φ400H7孔，反面沉孔φ400.5 mm，精鏜φ661H7，保證同心完成反面φ670 mm孔的加工。

2.5 精鏜和精銑

具體工序如下。

（1）大端面定位，找正工件，半精加工各窗口內孔，窗口內外各面，留單面0.3 mm余量。

（2）復校工件，精銑內壁至尺寸381.5 mm，精銑外端面，保證壁厚 70f7，精鏜φ497H7窗口，保證距離338.5±0.1 mm，精鏜 φ596 mm、φ596.5 mm 及倒角。

（3）粗精銑密封槽至圖示尺寸，外圓面滾花，完成R10 mm圓弧油槽，完成內壁油槽。

（4）工作臺回轉，用同樣方法完成其余窗口，保證同軸度。完成M30 mm螺孔，锪平φ70 mm，完成3-M20×1.5 mm 油孔。

（5）工件翻身，窗口外平面定位，找正工件，粗精鏜φ79H7，完成M76×4mm螺孔。保證位置度，工作臺回轉180°，找正，銑小頭端面φ440 mm沉孔，深度約0.5 mm。

3 加工難點及解決方案

3.1 小頭的裝夾方法

在對大頭進行車削時，需要以小頭為基準進行定位和裝夾，但由于槳轂的造型特殊，帶來了兩個裝夾上的困難：首先小頭的直徑尺寸為φ586 mm，而雙柱立車工作臺T型槽的最內側直徑為800 mm，無法安裝等高塊，并且高度方向限位只能通過在窗口下方裝壓板實現，因此需要設計一套專門的槳轂夾具，如圖3所示。

▲圖3 槳轂小頭的裝夾

圖3中，槳轂通過窗口處放置壓板進行限位，壓板通過可調節的立柱與T型滑座連接，并通過螺桿緊固，等高塊同樣安裝在T型滑座上。槳轂平面方向的限位通過機床自身的卡爪夾緊，由于T型槽位置的原因，需要使用木塊墊在卡爪和槳轂之間，以上各裝置在槳轂4個方向均布安裝。

3.2 槳轂蓋端內部的車削

如圖2所示，槳轂小頭內部需要加工φ400H7的孔以及φ464.5H8的槽，在雙柱立車上加工時需要將小頭朝下裝夾，車刀下降到小頭孔的位置進行車削。但是由于孔距離大端面的距離達到765.5 mm，車床自身的刀架無法下降到所需的高度，為此設計了一個加長的刀桿，如圖4所示。

圖4通過C型夾持機構將刀桿裝夾在雙柱立車的刀架上，在刀夾處安裝刀具，用螺釘擰緊刀具。刀桿總長為700 mm，可以大大增加立車的加工深度，以完成槳轂小頭內部的加工。

3.3 滾花的工藝設計

為了增大摩擦力，4D1095D槳轂各窗口的密封槽底均設計了滾花形式，如圖5所示。

▲圖4 雙柱立車加長刀桿

▲圖5 4D1095D槳轂的滾花設計

▲圖6 滾花裝置結構示意圖

為此，設計了一個用于密封槽內滾花的裝置，如圖6所示，該裝置包括夾持裝置、滾輪軸以及滾花輪，夾持裝置與數控機床連接，滾輪軸一端插入夾持裝置內部并與該夾持裝置軸向定位，滾輪軸另一端與滾花輪軸向連接，且該滾花輪可繞滾輪軸自由回轉。該夾持裝置與滾輪軸采用過盈配合，并通過螺釘徑向固定；夾持裝置采用45號鋼鍛件制成，車削成型，具有足夠的強度、剛度；滾輪軸采用低碳合金鋼制成，熱處理表面滲碳淬火，硬度達55HRC，磨制成型，這樣既保證滾輪軸表面有足夠的硬度及耐磨度，又保證滾輪軸具有足夠的韌性，不宜斷裂。滾花輪采用高速工具鋼制成，通過數控電火花加工方法獲得，其齒輪具有極高的硬度。

該裝置的優點是，通過數控機床調整滾花輪和密封槽內壁表面的擠壓量，并控制夾持裝置帶動滾輪軸與密封槽相對運動，滾花輪在滾輪軸作用下作被動回轉，同時該滾花輪的齒輪在密封槽內壁表面形成壓紋，從而實現在寬度較窄的密封槽內壁上滾花。在操作時，利用具有螺旋插補功能的機床數控系統，并采用循環滾壓以避免過切干涉。該裝置已經申請了實用新型專利，專利號為CN203209916U。

4 刀具材料及工藝參數的選擇

4.1 粗車

由于槳轂的材料為鋁青銅，具體牌號為CuAl10Fe5Ni5-C，有較高的強度和良好的耐磨性，可切削性尚可。刀具材料選擇鎢鈷類硬質合金刀具，它與金屬的粘結溫度較低，適用于切削鑄鐵、有色金屬及其合金，以及非金屬材料和含Ti元素的不銹鋼等工件材料。粗車時選擇牌號為YG8的硬質合金刀具，其硬度為89 HRA，抗彎強度為1.5 GPa。刀具幾何角度的選擇：前角 5°，后角 8°～12°。 切削用量的選擇：切削速度為v=70 m/min，切削深度為5 mm，進給量為0.5 mm/r。

4.2 粗銑和粗鏜

刀具材料和幾何角度與粗車一致。切削用量：粗鏜窗口孔，切削速度為v=120 m/min，切削深度為2.5 mm，進給量為0.5 mm。粗銑內外平面：主軸轉速為80 r/min，進給速度為300 mm/min，切削深度為1 mm。

4.3 精車

刀具材料選用牌號為YG6的硬質合金刀具，其硬度為89.5 HRA，抗彎強度為1.45 GPa，適用于鑄鐵、有色金屬及其合金連續切削時的精加工、半精加工。為獲得較好的加工精度，刀具前角增大至10°～15°。

切削用量的選擇：切削速度為v=100 m/min，切削深度為1 mm，進給量為0.3 mm/r。

4.4 精銑和精鏜

刀具材料和幾何角度與精車一致。切削用量：精鏜窗口孔，切削速度為v=130 m/min，切削深度為1 mm，進給量為0.15 mm/r。精銑內外平面：主軸轉速為100 r/min，進給速度為250 mm/min，切削深度為0.5 mm。

5 加工質量的控制

在加工瓦錫蘭槳轂初期，由于加工技術不成熟，出現了多起報廢的情況。經過技術部門的認真攻關，采取了以下措施，提高了槳轂加工的質量和效率，杜絕了報廢事故的再發生。

（1） 重要的螺紋連接孔，如 2-M48、4-M110等，均采用進口絲錐攻制；

（2）重要的螺紋孔、定位銷孔及有定位要求的安裝孔，采用數控定位或鉆模加工；

（3）4D1095D槳轂這樣的大型回轉類零件在加工過程中很容易出現碰傷，因此工藝規定槳轂在成品前各外表面均留2～3 mm的余量，在最終成品時才將余量去除；

（4）在成品吊運時，要采用吊帶吊裝，避免鋼制的吊鏈在槳轂表面上留下劃痕。

6 結束語

以4D1095D槳轂為代表的一系列瓦錫蘭槳轂的研制成功，打破我司過去單一的船用柴油機曲軸生產的限制，為我司擴大產品生產范圍，提高產品加工能力打下了良好的基礎。我們正在為進一步提高工藝水平、確保產品質量、提高生產效率，以生產更好更優質的船用零部件產品而努力。